CN209727845U - 一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置，它的组成包括：驱动模块(1)，位置模块(2)，摄像模块(3)，多路开关(4)，单片机(5)，远程通讯模块(6)，遥控器(7)，微处理器(8)，信号处理电路(9)，磁记忆探头(10)，显示器(11)，电源(12)，单片机(5)控制驱动模块(1)，位置模块(2)和摄像模块(3)，并与远程通讯模块(6)连接，微处理器(8)是自动检测装置的控制核，与单片机(5)、显示器(11)和信号处理电路(9)连接，信号处理电路(9)再与磁记忆探头(10)连接，整个自动检测装置由遥控器(7)操作。可以准确地推断钢轨的应力集中。能够满足钢轨应力自动检测的需要。

Description

一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置

技术领域

本实用新型属于电磁无损检测技术领域，尤其是涉及钢轨应力检测的磁记忆自动检测装置。

背景技术

钢轨是轨道结构的重要组成部分，直接承受车辆载荷的作用，它的强度和状态，直接关系到铁路运输的安全、平稳和畅通。钢轨的作用主要是支持并引导机车车辆按规定的方向运行，将来自车轮的载荷和冲击传递到热忱和扣件之上；在自动闭塞区段，钢轨又成为轨道电路中的一部分，起到信号电流的传输作用；在电气化区段，钢轨还作为电力机车牵引电流的回流导线。钢轨是发展高速铁路运输的基础。钢轨探伤工作和钢轨应力检测技术研究对铁路线路的安全运营具有重要意义。

在弱磁场环境下，铁磁性钢轨在制造和冷却过程中会形成金属磁记忆。宏观表现是铁磁性钢轨由于受到工作载荷产生了在损伤区或者应力集中区磁性的不可逆变化。金属磁记忆方法是以工作应力或者残余应力的作用产生于制品表面的位错滑移稳定带区或金属组织最大不均匀区域的漏磁场进行分析为基础，以确定金属的应力、缺陷及组织不均匀区为目的的一种无损检测方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于实现将磁记忆技术和自动化技术的结合，提出一种钢轨应力自动化磁记忆检测装置的技术方案。实现一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置，它的组成包括：驱动模块1，位置模块2，摄像模块3，多路开关4，单片机5，远程通讯模块6，遥控器7，微处理器8，信号调理电路9，磁记忆探头10，显示器11，电源12。单片机5控制驱动模块1，位置模块2和摄像模块3，并与远程通讯模块6，微处理器8是自动检测装置的控制核，与单片机5、显示器11和信号处理电路连接，信号调理电路再与磁记忆探头10连接，整个自动检测装置由遥控器7操作。

所述的磁记忆探头9的组成包括：正弦波产生电路，升压驱动电路，压电双晶片，霍尔传感器，磁记忆信号，直流稳压供电。

所述的压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变形，压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端。

所述的压电双晶片有两种电气连接方式，一种为串联方式，另一种为并联方式。

本实用新型的技术效果：

磁机械效应使得铁磁性金属钢轨在应力作用区表面的磁场增强，增强后磁场“记忆”了钢轨应力集中的位置，这就是磁记忆效应。从而，通过漏磁场法向分量的测定，便可以准确地推断钢轨的应力集中。

自动检测装置小型化的结构已经成为发展趋势，体积更小，重量更轻，转向更灵活的自动检测装置，能够满足钢轨应力自动检测的需要。

附图说明

图1是钢轨应力自动检测装置组成图。

图2是磁记忆探头组成图。

图3是压电双晶片结构图。

图4是正弦电路产生原理图。

图5升压驱动电路。

图6直流稳压电源。

图中：1为驱动模块，2为位置模块，3为摄像模块，4为多路开关，5为单片机，6为远距离通讯，7为遥控器，8为微处理器，9为信号调理电路，10为磁记忆探头，11为显示器，12为电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。

1.自动检测装置的整体结构

一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置，它的组成包括：驱动模块1，位置模块2，摄像模块3，多路开关4，单片机5，远程通讯模块6，遥控器7，微处理器8，信号处理电路9，磁记忆探头10，显示器11，电源12。单片机5控制驱动模块1，位置模块2和摄像模块3，并与远程通讯模块6，微处理器8是自动检测装置的控制核，与单片机5、显示器11和信号处理电路连接，信号处理电路再与磁记忆探头10连接，整个自动检测装置由遥控器7操作，如图1所示。

所述的磁记忆探头9的组成包括：正弦波产生电路，升压驱动电路，压电双晶片，霍尔传感器，磁记忆信号，直流稳压供电，如图2所示。

所述的压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变形，压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端，如图3所示。

所述的压电双晶片有两种电气连接方式，一种为串联方式，另一种为并联方式。

2.压电双晶片探头

驱动探头振动的压电陶瓷双晶片就属于PZT压电陶瓷元件，压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变形。压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端。当施加交流电压时，压电双晶片就会发生与驱动电压频率同频率的振动，压电双晶片的有两种电气连接方式，一种为串联方式，另一种为并联方式。两种加载方式都可以实现压电双晶片的正常工作。但在相同的驱动电压下，并联加载下的压电陶瓷片内的电场强度是串联加载下的两倍，效率更高。给压电双晶片加上高压正弦驱动信号，自由端的位移就随电压的变化而变化。将霍尔传感器粘贴到自由端并弯曲90°，使检测时，霍尔传感器的半导体薄片平面与试件表面平行。当压电双晶片振动时，实现扫描法测量磁场，3.霍尔传感器

选用CS3503线性霍尔传感器。霍尔传感器的原理是霍尔效应。CS3500系列线性霍尔电路是由电压调整器，霍尔电压发生器，线性放大器和射极跟随器组成，其输入是磁感应强度，输出是与输入量成正比的电压。特点是体积小、精确度高、灵敏度高、线性好、温度稳定性好、可靠性高。

4.正弦波产生电路的设计

正弦波产生电路如图4所示，通过A0接低电平、A1接高电平，选择输出为正弦波。在COSC引脚以及它的引线的周围用一个接地平面以减小其他杂散信号对这个支路的耦合。通过电位器把REF引脚的2.5V基准电压连接到IIN引脚来调节IIN的电流，下一步精确调节频率。并且REF引脚通过100nF的旁路电容接接地以减少噪声。把FADJ和DADJ引脚接地可以产生具有50％占空比的标称频率的信号。

此时，输出OUT引脚输出电压频率为100Hz，峰-峰值为2V的正弦波。输出阻抗小于0.1Ω，可直接向50pF的容性负载提供的驱动电流为±20mA。若负载电容CL＞50pF，则应通过电阻(典型值为50Ω)或缓冲器接负载。

为使MAX038可以长时间地在温度范围内产生一个稳定的频率输出，电阻选用精度为1％或更好的金属膜电阻，电容选用在整个温度范围内都是低温度系数的NPO陶瓷电容。

5.升压驱动电路设计

由于实际使用中的运放都不是理想运放，对一定频率的信号都有相应的相移作用，当开环增益为定值时，相移过大的信号反馈到输入端将使放大电路工作不稳定甚至发生振荡，为此必须在输入端与输出端之间加相应的RC补偿网络。在PA85的引脚7和8之间接入CC和RC，可以有效的避免寄生振荡，扩展放大电路的带宽。

为保证正常工作，PA85需要外接限流电阻，限流电阻RCL必须按照图5中连接在引脚1和2之间。其最小值是1.4Ω，为了满足最佳的可靠性，RCL的电阻值应设置尽可能高。

虽然PA85可承受的差分电压高达±25V的，仍需要对其输入进行外部保护。采用4个低漏电、低电容的N沟道结型场效应管2N4416，将正负输入短的差分输入电压钳位到±1.4V。

采用两个单向齐纳二极管P6KE450作为瞬态抑制器对电源引脚进行保护。齐纳二极管可以把瞬变高电压钳位到供电电压浮动范围内并且可以把电源极性的翻转钳位到地。Z1和Z2在电气和物理上都应该尽量靠近放大器。

升压驱动电路，采用双电源供电，电压典型值为±150V。

6.直流稳压电源设计

功率放大器PA85需要双极性供电，电压典型值为±150V。结合桥式整流和全波整流原理设计双极性直流稳压电源。

稳压电源就是把市用的220V交流电通过变压器转换到某一数值，再经过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压。

直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路组成。变压器将220V交流电压降为所需要的数值；整流电路将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压，此时的电压仍存在很大的脉动成份，并且带有纹波，不能直接提供给负载。整流的原理是利用二极管的单向导电性，常见的整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路；滤波电路的作用是对整流电路输出的脉动直流电压进行平滑处理，使之成为含交变成份很小的直流电压。可以选择电容滤波或者电感滤波，常见的滤波电路形式为L型滤波电路和C型滤波电路。

由220V-50Hz交流电压经过设计电路获得±150V直流电源，电路如图6所示。

7.驱动模块

驱动模块为检测装置在船体表面内自动扫查提供动力，本系统的驱动装置采用两台直流电机。为了适应船体表面大范围扫查的需求，使检测装置实现轨迹的变化，要求两直流电机差速驱动实现检测装置灵活转向功能。两台直流电机通过PWM调速实现转速的宽范围调节，采用两驱动轮的速度差实现电机的转向控制。并采用两个光电编码器分别采集两驱动轮的转速，作为速度控制的反馈。

(1)驱动电机

合理电机的选择不但能够影响检测装置尺寸和结构的安排，而且对检测装置移动机构运动灵活性有关键的作用。驱动电机采用有较好调速性能的直流电机和步进电机。

直流电机具有较小的转动惯量，较好的控制特性，较快的响应速度，可以实现检测装置的灵敏性要求；具有比较宽的速度调节范围，可以满足检测装置快速性的要求；低速平稳性能好，能够满足移动机构的稳定性要求；机械特性硬，过载能力较强，可以满足检测装置载物要求。

步进电机能够直接实现数字控制，控制性能较好，能够快速地启动、制动和反转，还具有较强的抵抗干扰的能力，不会有角位移或线位移的累计误差。但启动频率过高，控制不当时则会产生共振，很难获得比较大的转动力矩，难以得到较高的转动速度，且一般无过载能力。

(2)驱动轮

驱动轮为检测装置提供驱动力。为了能够满足船体表面检测需求，驱动轮要有防腐蚀性能。检测装置的驱动模块为两台直流电机，为了使得检测装置结构紧凑，两台直流电机采用竖直放置的方式，直流电机经过减速器与检测装置的上面板通过螺栓连接固定，减速器的输出轴通过一对直齿圆锥齿轮传动，将动力传动给驱动轴，驱动轴带动驱动轮转动。选择铝合金作为驱动轮的材料，驱动轮的直径为96mm，宽度为25mm。由于检测装置主要依靠驱动的转速差实现转向，所以驱动轮会产生严重的磨损。为了减少驱动轮的磨损并避免驱动轮与船体表面之间产生打滑现象，在两个驱动轮的外圆上分别套了一圈2mm厚的橡胶，增大了驱动轮与底板之间的摩擦力。

8.位置模块

位置模块是检测装置的关键部分之一，是为了确定缺陷在船体表面上的准确位置。设计的定位装置由编码器和激光距离传感器组成，从而可以确定缺陷在船体表面上的二维位置。工作原理为：在对船体表面进行检测过程中，驱动轮带动光电编码器同步转动，当漏磁检测探头相对应船体表面每移动一个采样间隔时，脉冲编码器会产生一个TTL电脉冲，则触发数据采集模块，所有24个通道采集一次。采样次数乘以一个采样间隔内检测装置行驶的距离即为它的纵向坐标。激光测距传感器可以测得缺陷到参照物的距离，从而可以确定它的横向坐标。

9.摄像模块

CCD是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等-系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。

随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

10.遥控装置

在遥控发射电路中，有两种电路，即编码器和38kHz载波信号发生器。在不需要多路控制的应用电路中，可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路，该电路无需使用较复杂的专用编译码器，因此制作容易。

Claims (4)

1.一种基于磁记忆的钢轨应力自动检测装置，它的组成包括：驱动模块(1)，位置模块(2)，摄像模块(3)，多路开关(4)，单片机(5)，远程通讯模块(6)，遥控器(7)，微处理器(8)，信号调理电路(9)，磁记忆探头(10)，显示器(11)，电源(12)，其特征在于：单片机(5)控制驱动模块(1)，位置模块(2)和摄像模块(3)，并与远程通讯模块(6)连接，微处理器(8)是自动检测装置的控制核，与单片机(5)、显示器(11)和信号调理电路(9)连接，信号调理电路(9)再与磁记忆探头(10)连接，整个自动检测装置由遥控器(7)操作。

2.根据权利要求1所述的钢轨应力自动检测装置，其特征在于：所述的磁记忆探头(10)的组成包括：正弦波产生电路，升压驱动电路，压电双晶片，霍尔传感器，磁记忆信号，直流稳压供电。

3.根据权利要求2所述的钢轨应力自动检测装置，其特征在于：所述的压电双晶片的基片上下表面都粘有压电陶瓷片，当在电极施加电压时，利用逆压电效应，两片压电陶瓷片的作用相反，一片伸长时，另一片缩短，使整个结构发生弯曲变形，压电双晶片采用悬臂梁支撑方式，一端固定，另一端为自由端。

4.根据权利要求2或3所述的钢轨应力自动检测装置，其特征在于：所述的压电双晶片有两种电气连接方式，一种为串联方式，另一种为并联方式。